《畢業(yè)設(shè)計論文基于EDA軟件的帶通濾波器》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《畢業(yè)設(shè)計論文基于EDA軟件的帶通濾波器（20頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、西華大學(xué)課程設(shè)計說明書 說明書 成績 課 程 設(shè) 計 說 明 書 課程設(shè)計名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計 題 目：基于EDA軟件的帶通濾波器 設(shè)計與仿真 學(xué) 生 姓 名： 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師： 日期：2010年 7月 15 日 1 前言 1.1 Multisim Mul

2、tisim 是加拿大于八十年代末、九十年代初推出的用于電路仿真與設(shè)計的EDA軟件，又稱“虛擬電子工作臺” 。Multisim 是在EBA{（Electronics Workbench）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，很大程度地增強(qiáng)了軟件的仿真測試和分析功能，大大地擴(kuò)充了元件庫中的仿真元件數(shù)量，是仿真設(shè)計更精確、可靠 在電子設(shè)計領(lǐng)域，EDA設(shè)計和仿真是一個十分重要的設(shè)計環(huán)節(jié)。眾多的EDA設(shè)計和仿真軟件中，Multisim 以其強(qiáng)大的仿真設(shè)計應(yīng)用功能，在各高校電信類專業(yè)電子電路的仿真設(shè)計中得到了較廣泛的應(yīng)用。Multisim 及其相關(guān)庫的應(yīng)用對提高科研人員和學(xué)生的仿真設(shè)計能力，更新設(shè)計理念有較大的幫助。Mu

3、ltisim 軟件最突出的特點是用戶界面友好，各類器件和集成芯片豐富，尤其是其直觀的虛擬儀表是Multisim的一大特色。Multisim 所包含的虛擬儀表有：示波器、萬用表、函數(shù)發(fā)生器、波特圖圖示儀、失真度分析儀、頻譜分析儀、邏輯分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。而通常一個普通和實驗室是無法提供這些設(shè)備的。這些以其的使用使仿真分析的操作更符合平時實驗的習(xí)慣。 本文以Multisim 為仿真設(shè)計平臺，利用界面直觀的原理圖設(shè)計工具完成電路設(shè)計，應(yīng)使用提供的各種仿真一起深入分析帶通濾波器電路。 1.2 濾波器的基本概念 濾波器（filter），是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出

4、經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。主要作用是：讓有用信號盡可能無衰減的通過，對無用信號盡可能大的衰減。濾波器一般有兩個端口，一個輸入信號、一個輸出信號。 濾波器的分類：按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種，按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種，按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種，按濾波器的安放位置不同，一般分為板上濾波器和面板濾波器。 濾波器的設(shè)計： 濾波器特性可以用其頻率響應(yīng)來描述，按其特性的不同，可以分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和

5、帶阻濾波器等。 用來說明濾波器性能的技術(shù)指標(biāo)主要有： 1.中心頻率f0，即工作頻帶的中心 　　2.帶寬BW 　　3.通帶衰減，即通帶內(nèi)的最大衰減 　 4.阻帶衰減 對于實際濾波器而言，考慮到實際的組成元件的品質(zhì)因數(shù)的取值是一有限值（因為受限于材料與工藝的水平），所以所有工程上的實用濾波器都是有損濾波器，因此對于這些濾波器還應(yīng)考慮通帶內(nèi)的最小插入衰減。 　　現(xiàn)代濾波器設(shè)計，多是采用濾波器變換的方法加以實現(xiàn)。主要是通過對低通原型濾波器進(jìn)行頻率變換與阻抗變換，來得到新的目標(biāo)濾波器。 1.3 帶通濾波器的基本原理 　　 帶通濾波器（band-pass filter）

6、是一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設(shè)備。比如RLC振蕩回路就是一個模擬帶通濾波器。 一個理想的帶通濾波器應(yīng)該有平穩(wěn)的通帶（bandpass,允許通過的頻帶），同時限制所有通帶外頻率的波通過。但是實際上，沒有真正意義的理想帶通濾波器。真實的濾波器無法完全過濾掉所設(shè)計的通帶之外的頻率的波。事實上，在理想通帶邊界有一部分頻率衰減的區(qū)域，不能完全過濾，這一曲線被稱做滾降斜率(roll-off)。滾降斜率通常用dB度量來表示頻率的衰減程度。一般情況下，濾波器的設(shè)計就是把這一衰減區(qū)域做的盡可能的窄，以便該濾波器能最大限度接近完美通帶的設(shè)計。 1.4 濾波器的設(shè)計方法 濾波電路是頻率選

7、擇電路，只允許頻帶內(nèi)頻率的信號通過，則按通帶區(qū)分，濾波器又可分為低通、高通、帶通、帶阻和全通五種。由于高通、帶通和帶阻濾波器的傳遞函數(shù)都能經(jīng)過頻率變換從低通濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)求得，所以我們把低通濾波器稱為原型低通濾波器。不論涉及任何濾波器，我們都是先把該種濾波器的技術(shù)要求轉(zhuǎn)變到相應(yīng)的低通濾波器的技術(shù)要求，然后設(shè)計低通濾波器得到轉(zhuǎn)移函數(shù)，最后再經(jīng)過頻率變化把低通濾波器轉(zhuǎn)移函數(shù)轉(zhuǎn)換到所求的濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)。涉及濾波器的任務(wù)是力求向理想特性逼近。接下來主要介紹兩種： (1)一階有源濾波器: 如果在一階RC低通電路的輸出端再加上一個電壓跟隨器，使之與負(fù)載很好地隔離開來，就構(gòu)成了一個簡單的一階有源低通濾

8、波電路，如圖（a）所示。電壓跟隨器的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，因此帶負(fù)載能力很強(qiáng)。 圖（a）一階低通濾波電路 (2) 二階壓控源電壓濾波器 二階壓控電壓源低通濾波器是由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其中同相比例放大電路實際上就是壓控電壓源。其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低，同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益。電路圖如圖（b）所示。 圖（b）二階壓控源電壓低通濾波器電路 2總體方案設(shè)計 2.1方案比較 方案1 ：無源帶通濾波器

9、 圖（1）無源帶通濾波器電路 電路構(gòu)成：主要由電阻電容構(gòu)成。 方案2 ：有源帶通濾波器 圖（2）有源濾波器的基本框圖 電路構(gòu)成：由圖（2）的框圖我們可以很清楚的看出有源帶通濾波器的框圖主要由八大模塊組成。對電源這部分的要求是輸出的電壓一定要盡可能的穩(wěn)定，這其中一般都會用到三端集成穩(wěn)壓器這種芯片（如7812、7805等等）。而起到濾波作用的主要還是由電阻、電容以及運算放大器這三部分構(gòu)成，而這其中運算放大器又起到了至關(guān)重要作用。在濾波電路中運算放大器主要是構(gòu)成了同相比例放大電路。 在我們的設(shè)計當(dāng)中，有源帶

10、通濾波器分為兩級，第一級是二階有源低通濾波電路，第二級是二階有源高通濾波電路，由兩級電路的串聯(lián)成為我們所設(shè)計的有源帶通濾波電路，它具有較好的選頻特性。 2.2 方案論證 無源濾波器：僅由無源元件(R、L 和C)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點是：電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點是：通帶內(nèi)的信號有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。 有源濾波器：由無源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運算放大器）組成。這類濾波

11、器的優(yōu)點是：通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件）；缺點是：通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用 但是，無源濾波電路只是由電阻、電感、電容組成，無源濾波電路的應(yīng)用受到許多限制；有源濾波電路是使用了理想運算放大器的濾波電路，相比無源濾波器有很多優(yōu) 點，例如有源濾波器不用電感就能形成帶通和帶阻濾波器，因電感通常較為笨重，且磁場會影響期望的頻率響應(yīng)特性；再者無源濾

12、波器沒有放大的能力，而有源濾波 器能對幅值進(jìn)行控制放大；最后，無源濾波器的截止頻率和通帶幅值有負(fù)載效應(yīng)，但有源濾波器克服了這個缺陷。而且，無源濾波器的缺點也是非常明顯的：1）因為一般都是濾除次數(shù)較低的諧波，要求元件的參數(shù)較大，較笨重；2）電源的阻抗特性會直接影響到濾波器的補(bǔ)償特性，為了達(dá)到較好的補(bǔ)償效果，通常需要對所補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)進(jìn)行分析計算并實際測量，專門進(jìn)行設(shè)計才能達(dá)到；3）系統(tǒng)頻率偏移會嚴(yán)重影響濾波特性，若想在較寬的系統(tǒng)頻率范圍內(nèi)都能達(dá)到滿意的效果，則要用較復(fù)雜的設(shè)計，系統(tǒng)將會異常復(fù)雜和龐大；4）在系統(tǒng)設(shè)計中要充分考慮諧振問題，避免造成系統(tǒng)損壞。當(dāng)無源濾波器的使用受到上述問題制約時，有源濾波

13、器便顯示出了它的優(yōu)勢。 2.3方案選擇 基于以上的方案比較以及方案論證和我們組的具體情況，我們決定采取更具有優(yōu)勢的第二種方案，即設(shè)計一個有源帶通濾波器電路。具體的有源帶通濾波電路的參數(shù)如下。 要求：1）信號通過頻率范圍f在100Hz至10kHz；2）濾波電路在1kHz的幅頻響應(yīng)必須在1dB范圍內(nèi)，而在100Hz至10kHz濾波電路的幅頻衰減應(yīng)當(dāng)在1kHz時值的3dB范圍內(nèi)；3）在10Hz時幅頻衰減應(yīng)為26dB，而在100kHz時幅頻衰減應(yīng)至少為16dB。 分析：這是一個通帶頻率范圍約為100Hz—10kHz的帶通濾波電路，在通帶內(nèi)我們設(shè)計為單位增益。根據(jù)所設(shè)計的電路要求，在頻率低端f=

14、10Hz時，幅頻響應(yīng)至少衰減26dB,在頻率高端f=100kHz時，幅頻響應(yīng)要求衰減不少于16dB。因此可以選擇一個二階低通濾波電路的截止頻率fH=10kHz，一個二階高通濾波電路的截止頻率fL=100Hz，有源器件采用運放CF4129(LF412)，將這兩個濾波電路串聯(lián)起來就構(gòu)成了所要求的帶通濾波電路。 3.單元模塊電路設(shè)計 3.1低通模塊 圖（3） 二階有源低通濾波電路 圖中，R1=R2 =R ，C1=C2=C ，Rf = R4 =(Avf -1)R3 , 此電路是有兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路

15、組成，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。而同相比例放大電路的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益，即 A0 = Avf= 1+(Avf -1) R1/ R1。 對于低通濾波電路，其理想的幅頻響應(yīng)如下圖所示，圖中A0表示低頻增益，|A|為增益的幅值。由圖可知，它的功能是通過從零到某一截止角頻率ωH 的低頻信號，對大于ωH的所有頻率則給予衰減，因此其帶寬BW =ωH/2。 圖（4） 低通濾波電路理想的幅頻響應(yīng) 3.2 高通模塊

16、 圖（5） 二階有源高通濾波電路 圖中，R1=R2 =R ，C1=C2=C ，Rf = R4 =(Avf -1)R3。將二階有源低通濾波電路中的R和C位置互換，則得到此有源高通濾波電路。 對于高通濾波器，其理想的幅頻響應(yīng)如下圖所示。由圖可以看到，在0<ω<ωL 范圍內(nèi)的頻率為阻帶，高于ωL的頻率為通帶。從理論上來說，它的寬帶，但實際上，由于受有源器件和外接元件以及雜散參數(shù)的影響，寬帶受到限制，高通濾波的寬帶也是有限的。 圖（6） 高通濾波電路理想的幅頻響應(yīng) 3.3 帶通模塊

17、 圖（7） 帶通濾波電路構(gòu)成示意圖 （a）原理框圖 （b）理想的幅頻響應(yīng) 圖（8） 帶通濾波器電路 此電路為由低通和高通兩級串聯(lián)的帶通濾波電路。 1）對電路的基本分析：根據(jù)題目的要求，經(jīng)過分析我們可以用一個二階低通濾波電路的截止頻率fH=10kHz，一個二階高通濾波電路的截止頻率fL=100Hz，有源器件采用運放CF4129(LF412)，將這兩個濾波電路串聯(lián)如圖（8）所示，就構(gòu)成了所要求的帶通濾波電路。經(jīng)查資料我們找到了二階巴特沃思濾波器的AVF1=1.586，因此，由兩級串聯(lián)的帶通濾波電路的通帶電

18、壓增益AVF1=（1.586）≈2.515，由于所需要的帶通增益為0dB，因此在低通濾波器輸入部分加入了一個由電阻R1、R2組成的分壓器。 2）元件的參數(shù)選擇和計算：在選用元件時，應(yīng)當(dāng)考慮由于元件參數(shù)值誤差對傳遞函數(shù)存在影響?，F(xiàn)規(guī)定選擇電阻值的容差為1%，電容值的容差為5%。由于每一電路包含若干個電阻器和兩個電容器，預(yù)計實際截止頻率可能存在較大的誤差（也許是10%）。為確保在100Hz和10kHz處的衰減不大于3dB?，F(xiàn)以額定截止頻率90Hz和11kHz進(jìn)行設(shè)計。在運放電路中的電阻不宜選擇過大或過小。一般為幾千歐至幾十千歐較合適。因此，選擇低通級電路的電容值為1000pF，高通級電路的電容值

19、為0.1uF。由算得R3=14.47k，現(xiàn)選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻值R3=14k。對于高通級可作同樣的計算。由于已知C=0.1uF和fL=90Hz，可求得R7=R8≈18k?？紤]到已知AVF1=1.568，同時盡量要使運放同相輸入端和反相輸入端對地的直流電阻基本相等，現(xiàn)選擇R5=68k,R10=82k,由此可計算出R4=（AVF1-1）R5≈39.8k,R9=（AVF1-1）R10≈48k，其容差為1%。設(shè)計完成的電路如圖（8）。信號源VI通過R1和R2進(jìn)行衰減，它的戴維寧電阻是R1和R2的并聯(lián)值，這個電阻應(yīng)當(dāng)?shù)扔诘屯夒娮鑂3（=14k）。因此有=14k（公式1）。由于整個濾波電路通帶增益是電壓分壓器比

20、值和濾波器部分增益的乘積，且應(yīng)等于單位增益，故有（公式2），聯(lián)解公式1和公式2，并選擇容差為1%的額定電阻值，得R1=35.7k和R2=23.2k。 3.4 電源模塊 圖（9） 電源框圖 圖（10） 電源電路圖 在整流電路之前我們需要用到變壓器將電網(wǎng)供給的220V電壓變成整流電路所需要的交流電壓。由整流電路將交流電壓變換成單方向脈動的直流電壓，再濾波電路濾去整流輸出電壓中的紋波，最后經(jīng)過穩(wěn)壓電路得到我們所需要的5v電壓。在穩(wěn)壓電路中

21、我們采用了集成器件7805和7905。 4系統(tǒng)調(diào)試 根據(jù)設(shè)計方案，我們將第三部分的單元模塊電路串聯(lián)起來得到了如圖（11）的電路圖，并在仿真軟件上將電路圖畫出來。在第三部分中我們已經(jīng)將各個元件的參數(shù)計算出來了，因此在仿真軟件中我們只需要將對應(yīng)的參數(shù)值設(shè)置在各個原件上。于是便得到了帶通濾波器的仿真圖。加入掃描頻率信號，進(jìn)入仿真模式，便得到了我們所設(shè)計的帶通濾波器仿真后的效果圖。從仿真的示波器中得到了帶通濾波幅頻響應(yīng)曲線。 圖（11） 根據(jù)仿真圖可以看出，這些元件的參數(shù)搭配所得帶通不滿足我們設(shè)計的要求，該圖在100

22、HZ、10HZ和100KHZ時的的幅頻衰減都大于了我們的要求，由此可以推斷出，在高通和低通部分的參數(shù)選擇不合理，根據(jù)高通和低通的原理，現(xiàn)在將高通和低通部分的參數(shù)進(jìn)行修改以便能夠滿足要求。 圖（12） 根據(jù)修改參數(shù)后的仿真圖可以看出，現(xiàn)在的圖達(dá)到了我們所要設(shè)計的帶通寬度，同時在10HZ時幅頻衰減為26d B ,但是該圖在100KHZ時的衰減大于了16dB,說明在修改的低頻參數(shù)的電阻、電容值的搭配還不完全合理，應(yīng)該使得低通的衰減速度慢些。以此為改變參數(shù)的依據(jù)來調(diào)整R、C的大小。根據(jù)設(shè)計要求和調(diào)整結(jié)果，可得到我們所要

23、設(shè)計的電路仿真圖，如下所示： 圖（13） 5 設(shè)計總結(jié) 第一次較為正式的做課程設(shè)計真的是感慨萬千??！原本以為不是很難做，但真的自己開始做之后才知道課程設(shè)計真的比較難做。先從我們選的課題開始說起——基于EDA軟件的帶通濾波器的設(shè)計和仿真。對于濾波器它決對是電子器件中很重要的一種器件之一，它是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。如果單看濾波器的電路構(gòu)成，我們都會覺得很簡單，無非就是電阻、電容加上運算放大器。但要去完全理解每一部分的作用和原理卻是我不能完成的，而且當(dāng)初上《電子技術(shù)基礎(chǔ)（

24、模擬部分）》時對于濾波器這一部分就沒這么講，但是濾波器又真的是很重要，那為什么在講課時要將這一部分忽略呢？ 幸運的是我們找到了很多有關(guān)于濾波器的資料，并且老師也提供了許多重要的信息給我們。在這之中讓我再一次的感受到了團(tuán)隊合作的重要性，我們做課程設(shè)計是五個人一組，這就是說我們幾個人必須要很好的配合才能很好的完成此次課程設(shè)計，總的來說我們幾個人配合的很不錯。這其中還有這么一段小插曲，因為都對濾波器比較陌生，所以一開始我們有過換一個題目的想法。但是最后我們放棄了換題目的想法，是因為我們都知道濾波器比較重要，而我們卻又對它比較陌生，所以最后我們決定就做濾波器，因為我們都知道當(dāng)課程設(shè)計結(jié)束之后，我們一

25、定會學(xué)到很多有關(guān)于濾波器的知識?，F(xiàn)在看來我們的當(dāng)初的決定是十分明智的，就我個人而言我對濾波器的認(rèn)識就有了很大的提高。 在這次課程設(shè)計中我又學(xué)到了一種仿真軟件——Multisim，它是加拿大于八十年代末、九十年代初推出的用于電路仿真與設(shè)計的EDA軟件，又稱“虛擬電子工作臺” 。Multisim 是在EBA{（Electronics Workbench）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，很大程度地增強(qiáng)了軟件的仿真測試和分析功能，大大地擴(kuò)充了元件庫中的仿真元件數(shù)量，是仿真設(shè)計更精確、可靠。運用此軟件可以很好的進(jìn)行仿真實驗，而且在Multisim中還可以進(jìn)行動態(tài)性能分析，這會縮短設(shè)計周期并且它的精度也很高。真的是

26、一款很不錯的仿真軟件。 總而言之，在這次課程設(shè)計之中我學(xué)到了很多，不僅僅是書本上講的知識。在我們 面對困難時一定不要退縮，因為如果那樣我們便永遠(yuǎn)也不會戰(zhàn)勝它，這會對我們的人生有不小的影響。當(dāng)然這期間我們一定要學(xué)會運用我們身邊的資源，當(dāng)我們遇到難題時，同學(xué)、朋友、老師還有網(wǎng)絡(luò)都是我們求助的好地方。特別是在這21世紀(jì)，互聯(lián)網(wǎng)對于我們當(dāng)代大學(xué)生來說絕對是一個知識寶庫，因此我們一定要好好利用！ 6 參考文獻(xiàn) 1. 謝自美.電子線路設(shè)計實驗測試（第三版）.華中科技大學(xué)出版社 2. 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分（第五版）高等教育出版社 3. 盧由.電腦應(yīng)用金典.電子工業(yè)出版社 4．21IC中國電子網(wǎng)（） 附錄 有源帶通濾波器PCB圖 第 19 頁